ES1300209U - Equipo de calentamiento de alta eficiencia - Google Patents

Abstract

Dispositivo de generación de calor para uso doméstico o industrial caracterizado por un motor térmico de combustible líquido o gas (2) que acciona un alternador (1) (conjunto motor térmico-generador eléctrico), el cual produce electricidad que puede ser utilizada en todo o parte para alimentar a una bomba de calor eléctrica aire-aire o aire-agua (4 y 5).

Description

DESCRIPCIÓN

EQUIPO DE CALENTAMIENTO DE ALTA EFICIENCIA

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención recogida por este modelo de utilidad se encuadra en el sector de la eficiencia energética y el aprovechamiento de calores residuales, en sistemas calefactores de fluidos, p. ej. calentadores de agua o de aire, que tienen medios para producir calor, en general (F24H según la IPC).

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El modelo de utilidad denominado Equipo de calentamiento de alta eficiencia se refiere a un sistema de bomba de calor y cogeneración combinado con el objetivo de aportar calor a un sistema con una alta eficiencia ya que aprovecha el efecto multiplicador de la bomba de calor al efecto recuperador de calor residual que ofrece la cogeneración en su proceso de generación de energía para accionar la bomba de calor

• La bomba de calor. Bien es conocido el efecto de mejora en la eficiencia energética que, en la obtención de calor, tienen las conocidas bombas de calor, equipos éstos, que mediante un fluido realizando un ciclo termodinámico inverso (ciclo frigorífico) permite tomar calor de un foco a una determinada temperatura y cederlo a otro foco que se encuentra a temperatura superior a la del primero. Ahora bien, siendo el foco de baja temperatura la atmósfera, la única energía consumida es la del proceso de compresión del fluido de trabajo, energía que, en forma de calor, es incorporada a la del foco frío para constituir el total entregada en el foco caliente.

Se han desarrollado diversos procesos termodinámicos para producir el efecto deseado, entre otros los conocidos como ciclo de absorción y ciclo de compresión de vapor, siendo este último el que ha conseguido un mayor desarrollo tecnológico. En él, un compresor impulsa el movimiento del gas (vapor) que en su circulación por la instalación produce el bombeo de calor deseado. Normalmente el compresor es accionado por un motor eléctrico, aunque igualmente puede ser accionado por un motor térmico o de otra tecnología para la generación de movimiento.

Basados en esta tecnología de ciclo de compresión de vapor y motor eléctrico para el accionamiento del compresor, se encuentran en fuerte implantación las llamadas bombas de calor, tanto en su versión aire-aire como aire-agua o bombas de calor para producción de agua caliente, tanto para uso sanitario (acs) como para calefacción a bajas temperaturas (llamada tecnología aerotermia). El principal atractivo de estos equipos es el reducido consumo de energía eléctrica, pues, según condiciones de trabajo, pueden llegar a aportar energía al interior mediante aire caliente o agua caliente hasta más de cuatro veces que la consumida de la red eléctrica (COP).

Sin embargo, el problema se plantea cuando la energía eléctrica no proceda de fuentes renovables y se obtenga de energías primarias (gas, gasóleo, u otras) a través de procesos de combustión, con una eficiencia que en ocasiones puede ser inferior al 50%, hecho que sucede tanto en grandes como en microcentrales. Este hecho conlleva una fuerte competencia frente a las tecnologías de combustión directa en calderas de gas, gasóleo u otros combustibles, pues consiguen el aire o agua caliente deseado, con eficiencias relativamente altas si además incorporan recuperadores del calor de condensación.

• La cogeneración. De igual forma, la cogeneración es ampliamente conocida y usada como tecnología de ahorro y eficiencia energética. Consiste en generar electricidad con una máquina térmica como motor primario y aprovechar el calor residual para fines de calentamiento de un fluido que será aplicado a procesos industriales o domésticos. Así, desde el punto de vista energético, considerando la energía eléctrica generada y el calor residual aprovechado, la eficiencia total se aproxima al máximo posible.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El equipo de calentamiento de alta eficiencia propuesto combina las dos tecnologías anteriores, de forma que siendo la bomba de calor eléctrica la máquina térmica encargada del calentamiento (aire, agua u otro fluido), la energía eléctrica demandada por ésta, en vez de ser obtenida de la red, es generada in situ mediante un conjunto motor térmico-generador con un sistema de cogeneración que incorpora el calor residual procedente del motor térmico al proceso de calentamiento.

Así, el equipo de calentamiento de alta eficiencia está constituido por un motor térmico que consume cualquier combustible primario (gas, gasóleo, etc), accionando a un generador eléctrico y una bomba de calor que es alimentada por la electricidad generada en la unidad anterior, incorporando el equipo adicional necesario para añadir al proceso anterior el calor residual procedente de la generación eléctrica y del motor térmico.

Cabe reseñar algunas características relevantes del equipo propuesto que, si bien son propias de los equipos individuales, no son limitativas al integrarse en este equipo:

• La bomba de calor siempre podrá funcionar alimentada desde la red eléctrica en vez de ser alimentada desde el grupo motor-generador, bien por limitaciones en el combustible primario de aquel, por razones económicas o por razones técnicas, principalmente cuando la bomba de calor se utilice para cubrir la demanda de frío, como ocurre cuando ésta se aplique en procesos de refrigeración y no sea utilizable el calor residual del grupo motor-generador.

• Igualmente, la generación de electricidad por el grupo motor-generador podrá utilizarse para otros usos más allá del accionamiento de la bomba de calor, e incluso se puede contemplar el vertido a la red bajo la modalidad de autoconsumo con excedentes no acogida a compensación si así lo desease el usuario, o acogida a compensación si la energía primaria fuere considerada renovable (Biogas, biomasa, biocombustible, etc) (Real Decreto 244/2019, de 5 de abril).

• En este sentido cabe considerar la posibilidad de que el motor térmico para el accionamiento del generador eléctrico no sea un motor de combustión interna, sino un motor de combustión externa (vg. Ciclo Stirling) cuyas ventajas desde el punto de vista de la energía primaria a utilizar (vg. Combustible sólido o calor solar) o de su impacto ambiental (vg. ruido), así lo aconsejen.

Queda pues establecido que el equipo de calentamiento de alta eficiencia constituido por la integración de motor térmico, generador eléctrico y bomba de calor constituye un sistema de sustancial mejoría en la eficiencia energética para los procesos de calefacción con relación a los sistemas de combustión directa (calderas) e incluso de los llamados sistemas de aerotermia, en actual expansión, toda vez que la energía primaria (sea cual fuere) utilizada en la combustión directa, se utiliza a través de dos procesos claramente eficientes, la cogeneración y la bomba de calor. Ello, además, sin perder las posibilidades de usos individuales de ambos procesos, de sobra conocida su eficiencia en aplicaciones específicas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las figuras 1 a 3 explican los principios de funcionamiento de la invención, y las figuras 4, 5 y 6 proponen tres posibles realizaciones.

En las figuras 1 a 3 se proponen las formas en que se pueden realizar la adición del calor residual del motor-generador al proceso de calentamiento, para lo cual se proponen tres maneras, según sean las temperaturas del medio recuperador y del fluido receptor del calor final.

Así, en dichas figuras (1,2, y 3) analizaremos un recinto 3 al cual queremos aportar el calor, que a su vez está inserto en un entorno mayor 4, en el que se sitúa la bomba de calor 1 y el sistema motor-generador 2. Externo a ellos estará el ambiente 5.

El motor-generador 2 recibe la energía 7 (gas, gas-oil, biomasa, etc) que lo transforma en energía eléctrica para el accionamiento de la bomba de calor 1 y en calor residual 9 que, si tiene temperatura superior a la del recinto objetivo 3, será incorporado bien directamente al recinto 3 (figura 1), al fluido caloportador procedente de la bomba de calor 8 (figura 2), o en una tercera configuración el calor es aportado al evaporador de la bomba de calor 6 (figura 3) incrementado la temperatura de trabajo de éste por encima de la ambiente y así mejorar la eficiencia de la bomba de calor 1.

Por otro lado, la energía eléctrica generada es usada en la bomba de calor para generar el calor que será introducido en el recinto objetivo a través de algún fluido caloportador 11, 12.

La figura 4 muestra una posible realización según el principio explicado en la figura 1. Así, el motor térmico 2 arrastra al generador 1 que producirá la energía eléctrica para alimentar a la bomba de calor 4, la cual en su funcionamiento como medio de calefacción aportará calor al recinto R, bien a través de su unidad interior (5, bomba Split, o fancoils), si trata de bomba aire-aire, o a intercambiador interior o exterior si se trata de bomba aire-agua. Por otro lado, el calor residual del generador eléctrico (1) y del motor térmico (2, tanto del propio motor como de los gases de escape, 8, a través del intercambiador 3), son aplicados sobre el flujo de aire 7 (ambiente A), 9, 10, calentándolo en el intercambiador 15, para introducirlo al interior del recinto R a través del flujo de fluido 16,13-1, bien de aire, agua u otro fluido. Los elementos 17 constituyen aislamiento térmico del flujo 7,9,10 y acústico del conjunto motor-generador. El flujo 13-1 podrá ser combinado con el 13-2, 14 aplicado al elemento calefactor de la bomba de calor, según convenga por sus temperaturas o sus aplicaciones. Es de resaltar que el flujo de aire 7, 11, será enfriado a su paso por la unidad de enfriamiento de la bomba de calor 4, en cuyo proceso toma calor del fluido caloportador 12, según es propio de las bombas de calor.

La figura 5 muestra otra posible realización, en este caso según el principio explicado en la figura 2. Así, el motor térmico 2 arrastra al generador 1 que producirá la energía eléctrica para alimentar a la bomba de calor 4, la cual en su funcionamiento como medio de calefacción aportará calor al recinto R, bien a través de su unidad interior (5, bomba Split, o fancoils), si trata de bomba aire-aire, o a caldera de agua caliente interior o exterior si se trata de bomba aire-agua. Por otro lado, el calor residual del generador eléctrico (1) y del motor térmico (2, tanto del propio motor como de los gases de escape, 8, a través del intercambiador 3), son aplicados sobre el flujo de aire 7 (ambiente A), 9, 10, calentándole en el intercambiador 15, para introducirlo al interior del recinto R a través del flujo de fluido 16,13, bien de aire, agua u otro fluido. Los elementos 17 constituyen aislamiento térmico del flujo 7,9,10 y acústico del conjunto motor-generador El flujo 13 será calentado a temperatura superior en el elemento calefactor de la bomba de calor 5, aplicándose al recinto R a través del flujo 14. Es de resaltar que el flujo de aire 7, 11, será enfriado a su paso por la unidad de enfriamiento de la bomba de calor 4, en cuyo proceso toma calor el fluido caloportador 12, según es propio de las bombas de calor.

La figura 6 muestra otra posible realización según el principio explicado en la figura 3. Así, el motor térmico 2 arrastra al generador 1 que producirá la energía eléctrica para alimentar a la bomba de calor 4, la cual en su funcionamiento como medio de calefacción aportará calor al recinto R, bien a través de su unidad interior (5, bomba Split, o fancoils), si trata de bomba aire-aire, o a caldera de agua caliente interior o exterior si se trata de bomba aire-agua. Por otro lado, el calor residual del generador eléctrico (1) y del motor térmico (2, tanto del propio motor como de los gases de escape, 8, a través del intercambiador 3), son aplicados sobre el flujo de aire 7 (ambiente A), 9, resultando el flujo 10 que a temperatura superior a la de 7 se ofrece a la entrada de la unidad exterior de la bomba de calor (4), en la cual cede su calor al fluido caloportador (12) para su aportación a la unidad 5 en el interior del recinto a calentar. Los elementos 17 constituyen aislamiento térmico del flujo 7,9,10 y acústico del conjunto motor-generador. Es de resaltar la mejora de eficiencia de la bomba de calor al tomar el calor del flujo 10 a mayor temperatura que si lo hiciera de 7 a la temperatura ambiente de inferior valor.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

De entre las diversas realizaciones posibles, atendiendo al estado de la técnica actual en que tanto los sistemas conocidos como aerotermia (bomba de calor aire-agua), como los sistemas de aire distribuidos para toda la vivienda (bomba de calor aire-aire), están siendo objeto de amplia implantación, principalmente en instalaciones domésticas pero también de uso posible en comunidades de vecinos, tomaremos como realización preferente la representada en la figura 6. En ella, el conjunto de los equipos 4, 5 y sus accesorios pueden representar cualquiera de las bombas de calor comerciales antes citadas, en las que la conexión eléctrica 6 se realizaría a la red y el flujo 10 y sus condiciones responderían al ambiente (7).

Así pues, en la realización preferente propuesta se añaden los elementos 1, 2, 3, 17 cualquier bomba de calor o equipo de aerotermia comercial, realizándose la alimentación 6 desde el generador 1, aunque la alimentación desde la red pueda mantenerse como alternativa.

Así, el funcionamiento de la bomba de calor o equipo de aerotermia se realizará con una mayor eficiencia (COP) al mantener en el lado del evaporador una temperatura del flujo 10 superior a la temperatura ambiente (7) que correspondería al funcionamiento sin considerar la invención

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de generación de calor para uso doméstico o industrial caracterizado por un motor térmico de combustible líquido o gas (2) que acciona un alternador (1) (conjunto motor térmico-generador eléctrico), el cual produce electricidad que puede ser utilizada en todo o parte para alimentar a una bomba de calor eléctrica aire-aire o aire-agua (4 y 5).

2. Dispositivo según reivindicación 1 en el que el conjunto motor térmicogenerador eléctrico y sus elementos auxiliares (1 y 2), es caracterizado porque éstos son aislados térmicamente del ambiente exterior (17) y son atravesados por el flujo de aire que aspira la unidad exterior (evaporador) de la bomba de calor (4).

3. Dispositivo según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el calor residual del motor térmico y del generador eléctrico, en todo o parte, es incorporado al foco frío de la bomba de calor (evaporador) elevando su temperatura. Para ello se dispondrán ambos elementos (motor-generador y bomba de calor) de tal forma que el flujo de aire (10) aspirado por la unidad exterior de la bomba de calor (4), antes de su entrada en dicha unidad, circule desde el ambiente exterior (7) a través del conjunto motor-generador (1 y 2) y de un intercambiador de calor (3) que recibe los humos del motor (8) y de un posible intercambiador que recibiera el líquido de refrigeración del motor en su caso.